高压直流输电线路暂态保护元件地频率特性分析

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1、2012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集高压直流输电线路暂态量保护元件的频率特性分析于洋，毛建波(淄博供电公司，山东淄博255000)摘要：目前直流线路行波保护的研究均未全面考虑线路上各元件对故障暂态分量的影响，导致保护的可靠性不足。针对上述不足本文提出了具有普遍性的分析方法，首先分析频率相关参数输电线路和线路边界的频率特性；继而对特定边界(葛南直流线路边界)透反射系数频率特性的分析发现：边界对频率大于600Hz的信号具有很强的衰减作用，而对区内直流滤波器调谐频率600Hz、1200Hz、1800Hz处的信号具

2、有反向全反射的特点；另外，考虑到直流线路的频率相关特性，因此线路保护判据的构建宜选用直流滤波器调谐频率段内的信号分量。关键词：频率相关参数输电线路；线路边界；频率特性1引言随着大功率电力电子器件的开发和控制技术的发展，高压直流输电(HVDC，HighVoltageDirectCurrent)技术以其线路造价低、长距离大容量输送电能、控制性能好等优点，在现代[1]电网建设中占有越来越重要的地位。目前，直流工程线路主保护主要采用ABB和Siemens行波保护，二者保护原理均是利用线路平波电抗器对行波波头的影响来判别区内、外故障，没有考虑到

3、长线路对波头的衰减作用；并且二者保护判据中多采用电压、电流的瞬时值，易受噪声干扰。大量运行经验和研[2-5]究结果表明，二者保护的可靠性较差，抗过渡电阻能力较低。近年来，在交流输电线路的行波保护、暂态保护以及边界保护的启发下，众多保护研究者将交流输电线路的暂态保护原理移植到高压直流输电线路的保护中，取得了一系列的成[6-10]果，这些成果均在不同程度上改善了直流输电线路行波保护的动作安全性和可靠性。但是，上述研究均未对直流线路边界透、反射系数的幅频和相频特性以及线路的频率相关特性进行全面的分析，以至于未充分把握线路和边界等元件对区内、

4、外故障暂态量频率特征的共同影响。由于故障暂态分量在直流线路上的传播特点受直流滤波器、平波电抗器、线路等设备的[11]参数影响。因此，本文首先分析频率相关参数直流线路及由直流滤波系统组成的线路边界的频率特性，以得到其对不同频率信号传输特点的影响；并且考虑到边界对信号的透、反射具有方向性，进而提出可以兼顾透反射系数相频和幅频特性的分析方法。通过综合分析线路和边界的频率特性对故障暂态分量的影响发现：区内外故障时暂态分量差异主要体现在直3152012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集流滤波器调谐频带内。2频率相关参数直流

5、线路的传播特性(1)频率相关参数直流线路的传播方程假设一条长度为L的频率相关参数直流输电线路MN，其中每公里频率相关参数的阻抗和导纳分别为z()、y()，它们在线路上是均匀分布的，模型如图1所示，规定前行波的正方向为直流母线M指向线路。图1单根直流输电线路模型[12]则线路两侧的行波传播关系为(频域内)：FAFNLM(1)BABMLN其中：FUZI、BUZI分别为电压前行波、电压反行波；Zz()/()y为ccc线路的波阻抗；AL()exp(())为线路的传播函数，()zy()()为线

6、路的传播参L数。由公式1可知，行波在直流线路上的传播特性由直流线路的传播函数和波阻抗的频率特性决定。(2)线路波阻抗及传播函数的频率特性由于线路每公里长的阻抗和导纳参数是频率相关的，因此线路的传播函数和波阻抗也是频率相关的。在仿真分析线路传播函数和波阻抗时，可以用有理多项式的分式来对其进行拟合，并加以利用PSCAD软件内部计算功能搜索出它的零点和极点，这样传播函数和波阻抗[13]近似可以表示为：M()jzmAe()jTminm0(2)xN()jpnn0L()jzll0ZZ()(3)cc0K()j

7、pkk0其中：Tmin为从线路始端传播到x点所需要的最短时间；zm和zl分别为传播函数和波阻抗的零点，M和L为各自零点个数；pn和pk分别为各自的极点，N和K为各自极点的个数。线路波阻抗的幅频和相频特性曲线如图2所示，波阻抗的幅值随着频率的升高逐渐降低，当频率大于100Hz时其值将稳定在385左右。3162012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集图2线路波阻抗的频率特性长度为500km的单根直流输电线路传播函数的幅频和相频特性曲线如图3所示，频率相关参数输电线路的传播函数具有低通滤波器的属性；长为500k

8、m线路的传播函数在20KHz附近即下降约为0。图3线路传播函数的频率特性由传播函数表达式AL()exp(())可知不同长度线路的传播函数幅频特性曲线的L截止频率也不同。表1为不同长度线路传播函数的截止频率，可知